Методическое пособие 807
.pdfУДК 625.768.5
Информационные двойники техники для зимнего содержания дорог и задачи, решаемые с их помощью
И.Н. Волков1, Т.В. Самодурова2 1Студент гр. САС-161, adnin4voronezh@bk.ru
2Д-р техн. наук, профессор, tvs@vmail.ru
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
Обоснован перечень информации о параметрах дорожной техники, которые могут быть использованы при формировании информационного двойника. Приведен перечень задач, которые могут быть решены при зимнем содержании дорог.
Ключевые слова: автомобильная дорога, зимнее содержание, дорожная техника, информационный двойник.
На современном этапе в дорожной отрасли одной из приоритетных задач является развитие и внедрение в практику управления дорожным хозяйством технологий информационного моделирования. Такие технологии уже с успехом применяются при строительстве зданий [1]. Их использование в жизненном цикле автомобильных дорог имеет свои особенности, из-за которых сдерживается внедрение, особенно на этапе эксплуатации автомобильных дорог [2]. При зимнем содержании дорог большое внимание уделяется обеспечению безопасности движения. Это связано с влиянием на состояние дорожного покрытия погодных факторов и образованием различных видов зимней скользкости. Чтобы обеспечить безопасное движение транспорта в зимний период, в Государственных стандартах установлены определенные требования к состоянию дорожных покрытий и времени ликвидации зимней скользкости [3]. Для поддержания дорожного покрытия в удовлетворительном состоянии используются различные технологии проведения работ по содержанию [4]. Их классификация представлена в табл. 1.
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
Технологии проведения работ по зимнему содержанию дорог |
|
Технология |
|
Краткая характеристика |
|
Ликвидация |
зимней |
По слою ледяных отложений распределяются ПГМ с нормами, доста- |
|
скользкости |
|
точными для их удаления |
|
Профилактика |
зимней |
Для предотвращения образования скользкости производится распре- |
|
скользкости |
|
деление ПГМ с уменьшенными нормами |
|
Удаление рыхлого снега |
Патрульная механическая очистка покрытия при выпадении осадков и |
|
|
с покрытия |
|
удаление рыхлого снега после их окончания |
|
Профилактика |
образова- |
Распределяются ПГМ во время снегопада для сохранения снега в рых- |
|
ния снежного наката |
лом состоянии с последующей механической очисткой |
|
|
Распределение |
фрикци- |
Материалы в чистом виде или в смеси с ПГМ распределяются по слою |
|
онных материалов |
снежно-ледяных отложений, когда использование ПГМ в чистом виде |
|
|
|
|
неэффективно |
|
50
Для реализации этих технологий необходима специальная дорожная техника, с помощью которой и проводятся все работы по содержанию. Она может быть оснащена специальным навесным оборудованием, которое используется для очистки покрытия и распределения противогололедных материалов (ПГМ).
Большое влияние на качество работ оказывают такие факторы как:
-вид противогололедного материала, который имеется в дорожной организации,
-норма его распределения при определенных погодных условиях,
-технические возможности спецтехники гибко регулировать нормы распределения ПГМ,
-навесное оборудование для проведения работ по механической снегоочистке и распределению реагентов.
Анализ данных (см. табл. 1) показывает, что наиболее перспективными являются технологии профилактики, так как работы производятся до образования скользкости, расходуется меньше химических реагентов, обеспечены безопасные условия движения и время на проведение работ минимально.
Для того чтобы оптимизировать процессы проведения работ необходимо иметь информацию, которая характеризовала бы возможности каждой их спецмашин выполнять те или иные технологические операции. Наличие такой информации и специальных алгоритмов ее обработки позволило бы виртуально смоделировать все процессы по уборке дорожных покрытий, рассчитать время работ, сравнить его с тем, которое указано в ГОСТ [2]. Такие расчеты позволяют оптимизировать рабочие процессы и оценить их эффективность.Таким образом, появляется задача создания цифрового двойника дорожной спецтехники. Понятие цифрового двойника физического объекта введено в связи с переходом на цифровизацию процессов управления. Он позволяет совместно использовать данные любых объектов при их эксплуатации по результатам численного моделирования той или иной ситуации. Программное обеспечение для моделирования позволяет быстро проводить любые сложные расчеты. Современные системы связи и IT-технологии позволяют в режиме реального времени передавать данные от датчиков, установленных на спецтехнике, и в результате создается цифровой двойник объекта. Дорожная спецтехника для зимнего содержания имеет сложную конструкцию и цифровые двойники должны отображать все аспекты ее содержания, эксплуатации и работы. Задачей настоящих исследований является обоснование необходимой информации для оптимизации работ по зимнему содержанию. Для этого проанализируем расчетные формулы, в которых учитываются производительность работы дорожной техники [5].
-производительность распределителей ПГМ:
Пэ = |
|
|
|
60 Q kз γ kи |
|
|
|
|
|
||||
q |
|
( |
60 Q kз γ |
+ |
120 lб |
+ t |
|
+ t |
|
) |
|||
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
ПГМ |
|
q |
V B |
V |
n |
|
пз |
(1) |
|||
|
|
|
|
ПГМ |
м |
тр.ср |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
- производительность снегоуборочной техники: |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
Пр=bVмknku |
|
|
|
(2) |
|||||
51
В приведенных формулах имеются параметры, определяющие особенности дорожной спецтехники. Результаты анализа этих параметров приведен в табл. 2.
Таблица 2 Параметры дорожной спецтехники, необходимые для создания информационного двойника
Параметр |
Влияет на |
Q – грузоподъемность автомобиля |
Протяженность участка обработки без дозагрузки, вре- |
|
мя проведения работ |
Vмскорость при распределении ПГМ, |
Время обработки покрытия |
км/ч; |
|
kз, kи – коэффициенты заполнения и ис- |
Время работы без дозагрузки реагентов |
пользования машин; |
|
Vтр.ср - средняя транспортная скорость, |
Время обработки покрытия |
км/ч; |
|
B – ширина полосы, очищаемой снего- |
Выбор навесного оборудования для дороги данной ка- |
очистителем (рабочая ширина отвала), м; |
тегории |
Vмрабочая скорость машины при снего- |
Время уборки снега |
очистке, км/ч; |
|
kи – коэффициент использования снего- |
То же |
очистителя |
|
knкоэффициент перекрытия при снего- |
Количество машин в отряде при патрульной снегоочи- |
очистке |
стке |
Параметры, приведенные в табл. 2, в первом приближении описывают особенности спецтехники при зимнем содержании автомобильных дорог, но они должны быть дополнены по результатам дальнейших исследований.
Литература
1.Талапов В.В. Технология BIM: суть и особенности внедрения информационного моделирования зданий. –М.: ДМК Пресс, 2015. -410 с.
2.Скворцов А.В. Трудности перехода от автоматизированного проектирования к информационному моделированию дорог // САПР и ГИС автомобильных дорог. 2015. № 2(5). С. 4–12
3.ГОСТ 33181-2014. Дороги автомобильные общего пользования. Требования к уровню зимнего содержания. Введен 01.12.2015. – М.: Стандартинформ, 2016. - 6 с.
4.Самодурова Т.В. Оперативное управление зимним содержанием дорог : Научные основы / Т. В. Самодурова . – Воронеж, 2003. – 168 с.
5.Ремонт и содержание дорог: Справочная энциклопедия дорожника (СЭД). ТомII./Под редакцией А.П. Васильева. –М.: Информавтодор, 2004 -507с.
52
УДК 621.74
Использование силуминов для изготовления точных деталей методами литья
А.В. Литвинов1, М.К. Харламова2, Л.С. Печенкина3, В.А. Юрьева4 1Студент гр. бЛП-181, ak3288430@gmail.com
2студент гр. бЛП-181, harlamova368@gmail.com
3Канд. техн. наук, доцент, pls-7@mail.ru
4Старший преподаватель, valentinamfm@mail.ru ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
В работе проанализированы структурообразование, механические свойства, микроструктура силуминов первой и второй групп на примере изделий автомобилестроения, полученных методом литья в кокиль. Установлено соответствие свойств силуминов данных групп требованиям, предъявляемым к литым высокоточным деталям.
Ключевые слова: силумин, твердость, литье в кокиль, микроструктура.
Внастоящее время в различных отраслях промышленности, в быту и повседневной жизни прослеживается рост потребления изделий из литейных алюминиевых сплавов, особенно сплавов на основе бинарной системы Al-Si. Ключевые преимущества данных сплавов, которые выделяют покупатели продукции силуминов - невысокая стоимость, износоустойчивость и малый удельный вес [1,2].
Вработе показана связь основных механических характеристик силуминов первой и второй групп с диаграммой состояния двухкомпонентной системы алюминий-кремний.
Сплавы на основе алюминия, полученные различными методами литья, классифицируются по химическому составу на пять групп: сплавы на основе системы алюминий-кремний-магний (группа силуминов): АК12, АК9ч, АК8, АК7ч; сплавы на основе системы алюминий-кремний-медь: АК5М, АК5М2, АК5М7, АК9М2, АК12М2; сплавы на основе алюминий-медь: АМ5, АМ4; сплавы на основе системы алюминий-магний: АМг4К1, АМг5К, АМг10; сплавы на основе системы алюминий – прочие другие компоненты: АК7Ц9, АК9Ц6, АЦ4Мг.
Сплавы АК9М2 и АК12М2 относятся ко второй группе литейных алюминиевых сплавов. На рис. 1 приведены высокоточные детали, изготовленные из данных марок методом литья в кокиль.
Важнейшие характеристики силуминов напрямую зависят от его химического состава. От посторонних включений, и самое главное, от процентного содержания кремния меняются основные показатели свойств сплавов.
Силумины с высоким содержанием кремния при заливке в металлическую форму, минуя модифицирование, имеют такую же мелкокристаллическую
53
структуру, аналогичные механические свойства, как и при заливке в песчаную форму после модифицирования. Таким образом, возможно исключение этапа модифицирования для силуминов второй группы при изготовлении деталей методом литья в кокиль. Добавление меди в расплав улучшает механические характеристики сплавов, обрабатываемость силуминов.
б
а)
б)
Рис. 1. Изделия из исследуемых силуминов: а) корпус генератора из сплава марки АК9М2; б) крышка генератора из сплава марки АК12М2
На рис. 2 представлена равновесная фазовая диаграмма состояния системы Al-Si и кривая охлаждения для сплава, содержащего 12 % кремния (АК12). В жидком состоянии в сплаве АК12 фазовые превращения протекают в температурном интервале 600-1100 ˚С. Таких превращений три: первое - при 727 ˚С; второе - при 867 ˚С и третье - при 987 ˚С. Далее рассмотрим фазовые превращения, протекающие в сплаве АК12, т.е. структурообразование сплава АК12. Данные фазовые реакции проиллюстрированы на кривой охлаждения, приведенной на рис.2.
54
Рис. 2. Равновесн ая фазовая диаграмма состояния бин арной системы Al-Si, кривая охлаждения сплава марки АК12
До температуры точки 1 сплав имеет жидкое состояние , превращений не наблюдается, происходит постепенное охлаждение жидкости. При температуре точки 1 на кривой охлаждения начинается процесс кристаллизации жидкости с выделением первых кристаллов α-твердого раствора алюминия. В промежутке температур между точками 1 и 2 происходит дальнейшая кри сталлизация жидкости с выделением того же α-твердого раствора алюминия из жидкой фазы. При температуре точки 2 происходит завершение кристаллизации и начало эвтектического превращения.На следующем участке кривой о хлаждения происходит эвтектическое превр ащение:
.
Микроструктура сплава после завершения всех структу рообразующих реакций будет состоять из α-твердого раствора на основе ал юминия (α-Al) и двойной эвтектики (Э = Al+Si). Кремний не образует соединений с алюминием. В структуре сплава кремн ий наблюдается либо в виде отдел ьных включений, либо входит в состав алю миниево-кремниевой эвтектики. Пр и наличии железа, содержание которого может достигать до 1,5 %, в микроструктуре наблюдаются иглообразные кристаллы фазы FeSiAl5.
На рис. 3а представлена микроструктура экспериментального образца из сплава марки АК12, полученного методом литья в кокиль.
На рис.3б, в предста влены микроструктуры образцов АК12 после термической обработки. Экспер иментальные образцы травились водным раствором HF концентрации ~ 1 %. Фотографии микроструктур образц ов получены с помощью металлографического микроскопа «Альтами».
Механические харак теристики экспериментальных образцов следующие: предел прочности ϭ в ≈ 150-160 МПа, относительное удлинение δ ≈ 5-6 %, твердость НВ 55, что соот ветствует требованиям нормативной документации.
55
а) б) в)
Рис. 3. Микроструктура сплава АК12М2: а) литое состояние, х500; б) старение при 200 ˚С. 7 часов, х500; в) закалка 525 ˚С в воду 100 ˚С, 4 часа +
старение при 200 ˚С. 3 часа, х200
Таким образом, по полученным микроструктурам использование АК12М2 и АК9М2 для данной номенклатуры отливок, полученных литьем в кокиль, позволяет исключить этап механической обработки, так как поверхностный слой отвечает всем требованиям предъявляемые к эксплуатационным характеристикам высокоточных деталей. Эти сплавы имеют практическое значение для ответственных отраслей промышленности и изделия, отлитые из исследованных марок, рентабельны и конкурентоспособны. Использование силуминов данных групп актуально в настоящем и в будущем временах.
Литература
1.Печенкина Л.С. Влияние способа литья на обеспечение требуемой структуры в отливках из алюминиевых сплавов /Л.С. Печенкина, В.А. Юрьева,
А.А.Матюшина //тр. межд. н.-т. конф. АКТ-2020. II Тур. 2020. С. 217-223.
2.Колюка Л.С. Кокильные машины и механизмы для их обслуживания / Л.С. Колюка, Л.С. Печенкина // тезисы межд. н.-т. конф. АКТ-2018. 2019. С. 4344.
56
УДК 538.9
Исследование влияния кислородных вакансий в композитных тонких пленках Fe-ZrO2
И.А. Анисимов1, А.Л. Березутский2, А.Н. Смирнов3, О.В. Стогней4 1Студент, anisimov-ilia2011@yandex.ru
2Студент, a.l.berezutskii@yandex.ru
3Аспирант, deadpank@mail.ru
4Д-р физ.-мат наук, профессор, sto@sci.vrn.ru
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
Исследовано влияние на электрические и магнитные свойства композитов Fe-ZrO2 присутствие в атмосфере камеры избыточного кислорода.
Ключевые слова: композит, магнитные и электрические свойства, рентгеновская дифракция.
Методом ионно-лучевого распыления составных мишеней в инертной атмосфере (Ar, 1,2·10-5 Торр) и в избытке кислорода (Ar + O2, 1,2·10-5 Торр) были получены тонкие композитные пленки Fe-ZrO2 градиентного типа (13-62 ат. %Fe) в диапазоне толщин от 2 до 4 мкм.
Рисунок. Концентрационные зависимости: а – магнитосопротивления композитов Fe/FeO-ZrO2; б – удельного сопротивления композитов Fe/FeOZrO2; в – удельного сопротивления композитов Fe-ZrO2
57
Согласно результатам рентгено-дифракционного анализа первой системы в композите присутствуют фазы кристаллического ОЦК-Fe и аморфного ZrO2. Во второй системе дополнительно наблюдается вюстит (FeO), который, как предполагается, образует core-shell наночастицы, окисляя железо. Это позволяет рассматривать систему как сложный композит Fe/FeO-ZrO2. [1].
Электрический порог перколяции (рисунок 1, б, в) был определен методом сравнения значений удельного сопротивления в исходном и отожженом при 350 ºС состояниях.
Измерения магнитосопротивления композита Fe/FeO-ZrO2 при комнатной температуре (рисунок 1, а) демонстрируют пик в окрестностях 35 ат. %, что согласуется с положением электрического порога перколяции в данном композите. Для системы Fe-ZrO2 магнитосопротивление наблюдается при 77К и не наблюдается при комнатной температуре. Предполагается, что это связано со сменой механизма проводимости с прыжкового на туннельный, который, в свою очередь, зависит от приложения магнитного поля. [2].
Работа выполнена при поддержке гранта ФЗГМ-2020-0007
Литература
1.Нелинейные явления в нано- и микрогетерогенных системах / С.А. Гриднев, Ю.Е. Калинин, А.В. Ситников, О.В. Стогней. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 352 с.
2.Золотухин, Иван Васильевич. Новые направления физического материаловедения [Учебники] : учеб. пособие для студ., обуч. по спец. 200100- "Материалы и компоненты твердотельной электроники" и 200200 - "Микроэлектроника и полупроводниковые приборы" .— Воронеж : Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2000 .— 360 с.: ил.
58
УДК537.9
Исследование влияния состава газовой среды на структуру
и электрические свойства нанокомпозита (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х
А.Р. Шакуров1, А.В. Ситников2 1Магистрант, aleks.shakurov@mail.ru
2Д-р физ.-мат. наук, профессор, sitnikov04@mail.ru ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
В данной работе представлено исследование влияния добавления паров H2O и O2 в процессе синтеза пленки нанокомпозита (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х. на его электрические свойства. Выявлено, что увеличение парциального давления кислорода и паров воды приводит к увеличению удельного электрического сопротивления нанокомпозита, а также добавление реактивных газов приводит к сдвигу порога перколяции в сторону большей концентрации металлической фазы.
Ключевые слова: Электрическое сопротивление, порог перколяции, кислород, пары воды, нанокомпозит.
Нанокомпозитыявляются перспективной средой при разработке мемристивных элементов, предназначенных для создания многоуровневой памяти и других устройств, в которых используется эффект резистивного переключения из высокоомного состояния в низкоомное и наоборот [1]. Ключевую роль в процессе такого переключения играют кислородные вакансии [2], поэтому введение кислорода в распылительную камеру должно оказывать влияние и на физические свойства синтезированных композитов. Понимание влияния параметров синтеза на физические свойства наноструктурированных гетерогенных пленок позволит управлять критическими функциональными свойствами для достижения оптимальных параметров мемристивных элементов. Электрические свойства композитов наиболее чувствительны к присутствию в рабочей атмосфере активных газов при ионно-плазменном напылении пленок[3]. Основным остаточным газом в вакуумной камере при безмаслянной системе откачки являются пары воды. Влияние паров воды на электрические свойства композитов, в частности (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х не проводились, хотя к элементам, входящим в состав данной гетероструктуры, он может быть весьма активен.
Пленки нанокомпозита (Co40Fe40B20)Х(LiNbO3)100-Х были получены методом ионно-лучевого распыления [4]. Мишень состояла из металлического основания сплава Co40Fe40B20 размером 270х80х15 мм3на поверхности которой не равномерно по длине мишени были закреплены 15 полосок монокристаллического соединения LiNbO3 размером 80х10х2 мм3. 4 ситалловые подложки располагалось в ряд вдоль оси мишени, создавая площадь нанесения 240х48 мм2.
59